一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法技术

本发明专利技术属于系统辨识和运动控制领域，尤其涉及一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法，用于解决两轴云台存在静态误差并且信号跟随能力较差的问题，本方法采用频域分析，对两轴云台输入变频正弦的位置信号，使用惯性导航模块采集两轴云台实际的位置信号，通过计算机中的MATLAB工具箱对两轴云台建立传递函数模型，并且自动整定PID参数，最终将获得的参数应用于云台电机控制器中，以此作为对现有问题的改进。本方法不需要对云台原有的机械结构做出改动，同时降低凑试法整定PID参数时间，且具有一定的鲁棒性和有效性。

A method of two axis cloud platform modeling and auto tuning PID parameters

【技术实现步骤摘要】
一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法
本专利技术属于系统辨识和运动控制领域，尤其涉及一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法。
技术介绍
体育竞赛、高清电影、综艺节目这些项目使得人们的生活拥有了更多的乐趣，随着科研领域的不断发展与创新，在图像技术中，特别是图像处理以及图像传输上日新月异的变化，这些技术的发展都离不开图像的获取，所以影像的拍摄要求也变得越来越严苛，而云台则是影像拍摄的重要载体。随着技术需求的要求越来越高，需要云台的启动是快速的、停止平和而缓慢，定位可以任意位置的调整，速度能够实现多级变化。市场中流通的云台，大多数没有建立传递函数模型，大多采用经典PID控制、模糊控制或Bang-Bang控制，这种云台鲁棒性较差，存在静态误差并且信号跟随能力较差。
技术实现思路
针对当前的两轴云台控制问题，本专利技术提出一种基于离线系统辨识和自动整定PID的方法，引入前馈控制环节以减小动态误差、消除静态误差。本方法采用频域分析，对两轴云台输入变频正弦的位置信号，使用惯性导航模块采集两轴云台实际的位置信号，通过计算机中的MATLAB工具箱对两轴云台建立传递函数模型，并且自动整定PID参数，最终将获得的参数应用于云台电机控制器中，以此作为对现有问题的改进。本方法不需要对云台原有的机械结构做出改动，同时降低凑试法整定PID参数时间，且具有一定的鲁棒性和有效性。本方法的控制系统包括：1)云台电机两个：用于控制航向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)电机各一个。2)云台电机控制器：具有编程功能的单片机，用于同计算机通信、获取惯性导航模块数据。3)惯性导航模块：获取云台当前的姿态，包括航向角度值、俯仰角度值、航向角速度与俯仰角速度。4)串口传输模块：用于将云台电机控制器输出的信号转换为电脑可识别信号。5)信号发生器：本发生器为软件，通过编程置于云台电机控制器中，用于产生变频的正弦位置信号。6)双闭环PID控制器：本控制器为经典的双环PID控制器，速度环为内环，位置环为外环，以软件方式置于云台电机控制器中。7)前馈补偿控制器：获取云台传递函数模型后，将传递函数离散化，通过编程将离散化的传递函数置于云台电机控制器中。8)计算机：具备MATLAB软件的电脑。一种两轴云台建模以及自动整定PID参数的方法，包括以下步骤：步骤1：将惯性导航模块安装至两轴云台中；(先确认带双闭环控制器的传递函数)步骤2：将云台电机控制器与计算机相连接；步骤3:在Yaw轴云台上加载双闭环PID控制器；步骤4：将信号发生器置于云台电机控制器中；步骤5：使用MATLAB中的SystemIdentification工具箱，获得系统传递函数：步骤6：获取Yaw轴云台传递函数；步骤7：使用MATLAB中的ControlSystem工具箱，对PID参数进行自动整定；步骤8：通过MATLAB将Yaw轴云台传递函数离散，以获取前馈补偿控制器参数；步骤9：重复步骤2-步骤8，对Pitch轴进行模型建立与PID参数整定。步骤10：将以上步骤获取的双闭环PID控制器参数、前馈补偿控制器参数应用于云台电机控制器中。本专利技术具有以下优势：(1)不需要对原有机械结构进行改变。(2)可以大幅度降低整定PID参数的时间，具有较好的实用性。(3)自动整定PID参数且加入前馈控制后，云台具有良好的鲁棒性、快速性。附图说明图1为本专利技术的总体流程图；图2为两轴云台实物图；图3为两轴云台三维图；图4为双闭环PID控制器流程图；图5为激励信号频率图；图6为激励信号时域图；图7为SystemIdentification工具箱参数设置截图；图8为SystemIdentification工具箱生成本方法中使用的云台Yaw轴传递函数；图9为双闭环PID控制器传递函数流程图；图10为ControlSystem工具箱参数设置界面；图11为引入前馈补偿器的双闭环PID控制器流程图；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。本专利技术提出基于离线辨识的方法完成两轴云台建立传递函数模型，同时对PID控制器参数自动整定并引入前馈补偿控制器，本方法操作流程图如图1所示。本专利技术应用频率响应特性研究两轴云台系统的特性，在云台电机控制器中加载信号发生器，通过计算机将期望的位置信号与实际的位置信号存储，使用MATLAB离线辨识工具获取系统的传递函数，最终通过工具箱对PID参数进行整定。本专利技术的具体过程如下：步骤1，将惯性导航模块安装至两轴云台。(1)本方法采用闭环辨识，首先需要对两轴云台构成闭环控制系统。(2)为保证数据的真实性，将惯性导航模块安装至云台两轴的轴线相交处，如若此位置不能安装，则要尽量靠近本位置。(3)对惯性导航模块的原始角度值、角速度数据进行滤波处理，去除非工作范围的噪声。图2图3为本方法使用的两轴云台系统实物图与三维模型图，惯性导航模块选用超核电子H219模块，本云台系统的正常工作角速度在±250°/s之内，故将惯性导航模块的角速度量程设定为±250dps。本云台系统的最大控制频率为1KHz，根据香农采样定理，截止频率为500Hz，通过查询手册，故将惯性导航模块的带宽调整为532Hz。(4)通过云台电机控制器对惯性导航模块的航向角度值、航向角速度、俯仰角度值、俯仰角速度值行读取。步骤2，将云台电机控制器与计算机相连接。(1)为观察实际信号与期望信号的状态，需将云台电机控制器与计算机相连接。(2)本方法采用串口传输模块连接，也可使用蓝牙模块、无线模块等，只需保证连接的稳定性即可。(3)在计算机中配备具有保存功能的数字示波器。步骤3，在Yaw轴云台加载双闭环PID控制器。双闭环PID控制器流程图如图4所示，位置信号输入双闭环PID控制器中，期望位置信号与惯性导航模块获取的实际位置信号求取位置信号偏差值，将位置信号偏差值传入位置环PID控制器中获取期望的速度信号，期望的速度信号与惯性导航模块获取的实际速度信号求取速度信号偏差值，将速度信号偏差值传入速度环PID控制器中获取期望的PWM信号，将PWM信号传入到电机中，以驱动电机，电机带动惯性导航模块对实际信号进行更新。(1)首先加载速度环PID控制器，使用凑试法对PID参数整定，使实际的速度信号能够较好的跟踪期望的速度信号即可。(2)其次加载位置外环PID控制器，同样使用凑试法对PID参数进行整定，使实际的位置信号能够较好的跟踪期望的位置信号即可。(3)根据PID的控制规律，计算(1)(2)两步加载的PID控制器传递函数，PID的控制规律关系为：e(t)＝yd(t)-y(t)其中e(t)为偏差值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法，基于两个云台电机、云台电机控制器、惯性导航模块、串口传输模块、信号发生器、双闭环PID控制器、前馈补偿控制器、计算机，/n其中，/n云台电机两个：用于控制云台航向角Yaw、俯仰角Pitch电机各一个；/n云台电机控制器：具有编程功能的单片机，用于同计算机通信、获取惯性导航模块数据。/n惯性导航模块用于获取云台当前的姿态，包括航向角度值、俯仰角度值、航向角速度与俯仰角速度；/n串口传输模块：用于将云台电机控制器输出的信号转换为电脑可识别信号。/n信号发生器：本发生器为软件，通过编程置于云台电机控制器中，用于产生变频的正弦预期位置信号。/n双闭环PID控制器：为经典的双环PID控制器，采用软实现方式置于云台电机控制器中，包括速度内环PID控制器和位置外环PID控制器，所述的位置外环PID控制器的输入为信号发生器产生的预期位置信号与惯性导航模块获取的Yaw轴云台实际位置信号的偏差值，输出为期望的速度信号；所述的速度内环PID控制器的输入为位置外环PID控制器的输出与惯性导航模块获取的实际速度信号的偏差值，输出为期望的PWM信号；/n前馈补偿控制器：获取云台传递函数模型后，将传递函数离散化，通过编程将离散化的传递函数置于云台电机控制器中。/n计算机：具备MATLAB软件的电脑/n其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：将惯性导航模块安装至两轴云台中；/n步骤2：将云台电机控制器与计算机相连接；/n步骤3:在Yaw轴云台上加载双闭环PID控制器，分别获得内环PID控制器的传递函数C...

【技术特征摘要】
1.一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法，基于两个云台电机、云台电机控制器、惯性导航模块、串口传输模块、信号发生器、双闭环PID控制器、前馈补偿控制器、计算机，
其中，
云台电机两个：用于控制云台航向角Yaw、俯仰角Pitch电机各一个；
云台电机控制器：具有编程功能的单片机，用于同计算机通信、获取惯性导航模块数据。
惯性导航模块用于获取云台当前的姿态，包括航向角度值、俯仰角度值、航向角速度与俯仰角速度；
串口传输模块：用于将云台电机控制器输出的信号转换为电脑可识别信号。
信号发生器：本发生器为软件，通过编程置于云台电机控制器中，用于产生变频的正弦预期位置信号。
双闭环PID控制器：为经典的双环PID控制器，采用软实现方式置于云台电机控制器中，包括速度内环PID控制器和位置外环PID控制器，所述的位置外环PID控制器的输入为信号发生器产生的预期位置信号与惯性导航模块获取的Yaw轴云台实际位置信号的偏差值，输出为期望的速度信号；所述的速度内环PID控制器的输入为位置外环PID控制器的输出与惯性导航模块获取的实际速度信号的偏差值，输出为期望的PWM信号；
前馈补偿控制器：获取云台传递函数模型后，将传递函数离散化，通过编程将离散化的传递函数置于云台电机控制器中。
计算机：具备MATLAB软件的电脑
其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将惯性导航模块安装至两轴云台中；
步骤2：将云台电机控制器与计算机相连接；
步骤3:在Yaw轴云台上加载双闭环PID控制器，分别获得内环PID控制器的传递函数C2(S)和位置外环PID控制器的传递函数C1(S)；
步骤4：将信号发生器置于云台电机控制器中；
步骤5：将信号发生器产生的期望位置信号与惯导模块采集的Yaw轴云台实际位置、速度信号导入至使用MATLAB中的SystemIdentification工具箱，获得加载双闭环PID控制器后的系统传递函数Gc；
步骤6：获取Yaw轴云台传递函数G(S)，具体计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀智，贾桐，张祥银，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11